3D அச்சிடும் பொருட்களில் அலுமினா தூளின் திருப்புமுனை
வடமேற்கு பல்தொழில்நுட்பப் பல்கலைக்கழகத்தின் ஆய்வகத்திற்குள் நுழைந்தபோது, ஒரு ஒளி-குணப்படுத்தும்3D பிரிண்டர் அது லேசாக முணுமுணுத்துக் கொண்டிருக்க, லேசர் கற்றை பீங்கான் கூழில் துல்லியமாக நகர்கிறது. சில மணிநேரங்களுக்குப் பிறகு, ஒரு புதிர்வழி போன்ற சிக்கலான அமைப்பைக் கொண்ட பீங்கான் உள்ளகம் முழுமையாகக் காட்சிப்படுத்தப்பட்டது – இது விமான இயந்திரங்களின் டர்பைன் பிளேடுகளை வார்ப்பதற்குப் பயன்படுத்தப்படும். இந்தத் திட்டத்திற்குப் பொறுப்பாளரான பேராசிரியர் சூ ஹைஜுன், அந்த நுட்பமான பாகத்தைச் சுட்டிக்காட்டி, “மூன்று ஆண்டுகளுக்கு முன்பு, இத்தகைய துல்லியத்தைப் பற்றி நினைத்துக்கூடப் பார்க்க நாங்கள் துணியவில்லை. இந்த எளிதில் கண்ணுக்குப் படாத அலுமினா தூளில்தான் முக்கிய திருப்புமுனை மறைந்துள்ளது,” என்றார்.
ஒரு காலத்தில், அலுமினா பீங்கான்கள் அந்தத் துறையில் ஒரு "சிக்கலான மாணவனைப்" போல இருந்தன.3D அச்சிடுதல்அதிக வலிமை, அதிக வெப்ப எதிர்ப்பு, நல்ல மின்காப்பு, ஆனால் அதை அச்சிட்ட பிறகு, அதில் பல சிக்கல்கள் இருந்தன. பாரம்பரிய செயல்முறைகளின் கீழ், அலுமினா தூளுக்கு பாயும் தன்மை குறைவாக இருப்பதால், அது அடிக்கடி அச்சுத் தலையை அடைத்துவிடுகிறது; உருக்கிச் சூடாக்கும்போது ஏற்படும் சுருக்க விகிதம் 15%-20% வரை அதிகமாக இருக்கலாம், மேலும் மிகுந்த முயற்சியுடன் அச்சிடப்பட்ட பாகங்கள், சூடாக்கப்பட்டவுடன் உருக்குலைந்து விரிசல் விடும்; சிக்கலான கட்டமைப்புகளா? அது இன்னும் ஒரு ஆடம்பரம்தான். பொறியாளர்கள் கவலைப்படுகிறார்கள்: “இந்த விஷயம், கட்டுக்கடங்காத யோசனைகள் இருந்தும் ஆட்கள் போதாத ஒரு பிடிவாதமான கலைஞனைப் போன்றது.”
1. ரஷ்ய சூத்திரம்: “பீங்கான் கவசத்தை” அணிவிப்பதுவெப்ப ஆற்றல்அணி
பொருள் வடிவமைப்பில் ஏற்பட்ட புரட்சியே இந்தத் திருப்புமுனைக்கு முதல் காரணமாக அமைந்தது. 2020-ல், ரஷ்யாவின் தேசிய அறிவியல் மற்றும் தொழில்நுட்பப் பல்கலைக்கழகத்தைச் (NUST MISIS) சேர்ந்த பொருள் விஞ்ஞானிகள் ஒரு புரட்சிகரமான தொழில்நுட்பத்தை அறிவித்தனர். அலுமினியம் ஆக்சைடு தூளை வெறுமனே கலப்பதற்குப் பதிலாக, அவர்கள் உயர் தூய்மையுள்ள அலுமினியம் தூளை ஒரு ஆட்டோகிளேவில் இட்டு, நீர்வெப்ப ஆக்சிஜனேற்றத்தைப் பயன்படுத்தி ஒவ்வொரு அலுமினியத் துகளின் மேற்பரப்பிலும் துல்லியமாகக் கட்டுப்படுத்தக்கூடிய தடிமனுடன் ஒரு அலுமினியம் ஆக்சைடு படலத்தை "வளர்த்தனர்". இது, ஒரு அலுமினியப் பந்தின் மீது நானோ-நிலை கவசத்தைப் பொருத்துவதைப் போன்றது. இந்த "உள்ளகம்-மேலோடு அமைப்பு" கொண்ட தூள், லேசர் 3D அச்சிடுதலின் (SLM தொழில்நுட்பம்) போது அற்புதமான செயல்திறனைக் காட்டுகிறது: இதன் கடினத்தன்மை தூய அலுமினியப் பொருட்களை விட 40% அதிகமாக உள்ளது, மேலும் உயர்-வெப்பநிலை நிலைத்தன்மை பெரிதும் மேம்பட்டு, விமானத் தரத் தேவைகளை நேரடியாகப் பூர்த்தி செய்கிறது.
திட்டத் தலைவரான பேராசிரியர் அலெக்சாண்டர் க்ரோமோவ் ஒரு தெளிவான உவமையை முன்வைத்தார்: “முன்பு, கலவைப் பொருட்கள் சாலட்களைப் போல இருந்தன – ஒவ்வொன்றும் அதன் சொந்த வேலையைச் செய்து வந்தது; எங்கள் தூள்கள் சாண்ட்விச்களைப் போன்றவை – அலுமினியமும் அலுமினாவும் ஒன்றன் பின் ஒன்றாக அடுக்கு அடுக்காகப் பிணைந்து கொள்கின்றன, மேலும் ஒன்று இல்லாமல் மற்றொன்று இருக்க முடியாது.” இந்த வலுவான பிணைப்பு, விமான இயந்திரப் பாகங்கள் மற்றும் அதி-எளிதான உடல் சட்டகங்களில் இந்தப் பொருள் தனது திறமையை வெளிப்படுத்த அனுமதிக்கிறது, மேலும் இது டைட்டானியம் கலப்புலோகங்களின் களத்திற்கே சவால் விடத் தொடங்குகிறது.
2. சீன ஞானம்: பீங்கான்களைப் பதிக்கின்ற மாயாஜாலம்
அலுமினா செராமிக் அச்சிடுதலில் உள்ள மிகப்பெரிய சவால், உருகுதல் சுருக்கம் (sintering shrinkage) ஆகும் – நீங்கள் ஒரு களிமண் உருவத்தை கவனமாகப் பிசைந்து, அதை சூளைக்குள் வைத்தவுடன் ஒரு உருளைக்கிழங்கின் அளவிற்குச் சுருங்கிவிடுவதாகக் கற்பனை செய்து பாருங்கள். அது எவ்வளவு தூரம் அமுங்கும்? 2024-ஆம் ஆண்டின் தொடக்கத்தில், வடமேற்கு பல்தொழில்நுட்பப் பல்கலைக்கழகத்தின் பேராசிரியர் சூ ஹைஜுன் குழுவினர் 'ஜர்னல் ஆஃப் மெட்டீரியல்ஸ் சயின்ஸ் & டெக்னாலஜி' இதழில் வெளியிட்ட முடிவுகள், இந்தத் துறையில் ஒரு பெரும் அதிர்வை ஏற்படுத்தின: அவர்கள் வெறும் 0.3% சுருங்கும் விகிதத்துடன், கிட்டத்தட்ட சுருக்கமே இல்லாத ஒரு அலுமினா செராமிக் உள்ளகம் ஒன்றைப் பெற்றிருந்தனர்.
ரகசியம் என்னவென்றால் சேர்ப்பதுதான்அலுமினிய தூள்அலுமினாவிற்கு மாற்றி, பின்னர் ஒரு துல்லியமான “வளிமண்டல மாயாஜாலத்தை” நிகழ்த்துங்கள்.
அலுமினியத் தூளைச் சேர்க்கவும்: 15% நுண்ணிய அலுமினியத் தூளை செராமிக் கூழில் கலக்கவும்.
சூழலைக் கட்டுப்படுத்துங்கள்: அலுமினியத் தூள் ஆக்ஸிஜனேற்றம் அடைவதைத் தடுக்க, உருக்குதல் செயல்முறையின் தொடக்கத்தில் ஆர்கான் வாயுப் பாதுகாப்பைப் பயன்படுத்துங்கள்.
திறன்மிகு நிலைமாற்றம்: வெப்பநிலை 1400°C ஆக உயரும்போது, திடீரென வளிமண்டலத்தைக் காற்றாக மாற்றும்.
உள்ளிட ஆக்சிஜனேற்றம்: அலுமினியத் தூள் உடனடியாகத் துளிகளாக உருகி, அலுமினியம் ஆக்சைடாக ஆக்சிஜனேற்றம் அடைகிறது, மேலும் கன அளவு விரிவாக்கமானது சுருக்கத்தை ஈடுசெய்கிறது.
3. பிணைப்பான் புரட்சி: அலுமினியத் தூள் “கண்ணுக்குப் புலப்படாத பசையாக” மாறுகிறது
ரஷ்ய மற்றும் சீனக் குழுக்கள் தூள் மாற்றியமைப்பில் கடுமையாக உழைத்து வரும் வேளையில், அலுமினியத் தூளைப் பிணைப்பானாகப் பயன்படுத்தும் மற்றொரு தொழில்நுட்ப வழிமுறை அமைதியாக முதிர்ச்சியடைந்துள்ளது. பாரம்பரிய பீங்கான்3D அச்சிடுதல்பிணைப்பான்கள் பெரும்பாலும் கரிமப் பிசின்களாகும், அவை எண்ணெய்ப் பிசுக்கை நீக்கும் போது எரிக்கப்படும்போது வெற்றிடங்களை உருவாக்கும். ஒரு உள்நாட்டுக் குழுவின் 2023 காப்புரிமையானது ஒரு மாறுபட்ட அணுகுமுறையைக் கையாள்கிறது: அலுமினியப் பொடியை நீர் சார்ந்த பிணைப்பானாக மாற்றுவது47.
அச்சிடும்போது, முனையானது 50-70% அலுமினியத் தூள் அடங்கிய "பசையை" அலுமினியம் ஆக்சைடு தூள் அடுக்கின் மீது துல்லியமாகத் தெளிக்கிறது. எண்ணெய் நீக்கும் கட்டத்தில், வெற்றிடம் உருவாக்கப்பட்டு ஆக்சிஜன் செலுத்தப்படுகிறது, மேலும் அலுமினியத் தூளானது 200-800°C வெப்பநிலையில் அலுமினியம் ஆக்சைடாக ஆக்சிஜனேற்றம் செய்யப்படுகிறது. 20%-க்கும் அதிகமான கன அளவு விரிவாக்கப் பண்பானது, துளைகளைத் தீவிரமாக நிரப்பவும், சுருங்கும் விகிதத்தை 5%-க்கும் குறைவாகக் குறைக்கவும் உதவுகிறது. "இது, சாரக்கட்டை அகற்றிவிட்டு, அதே நேரத்தில் நமது சொந்தத் துளைகளை நிரப்பி ஒரு புதிய சுவரைக் கட்டுவதற்குச் சமம்!" என்று ஒரு பொறியாளர் இதை இவ்வாறு விவரித்தார்.
4. துகள்களின் கலை: கோள வடிவத் தூளின் வெற்றி
அலுமினா தூளின் “தோற்றம்” எதிர்பாராத விதமாக முன்னேற்றங்களுக்கான திறவுகோலாக மாறியுள்ளது – இந்தத் தோற்றம் என்பது துகள்களின் வடிவத்தைக் குறிக்கிறது. 2024-ஆம் ஆண்டில் “ஓப்பன் செராமிக்ஸ்” இதழில் வெளியான ஒரு ஆய்வு, உருகிய படிவு (CF³) அச்சிடுதலில் கோள மற்றும் ஒழுங்கற்ற அலுமினா தூள்களின் செயல்திறனை ஒப்பிட்டது⁵:
கோள வடிவப் பொடி: மெல்லிய மணலைப் போலப் பாய்கிறது, நிரப்பும் விகிதம் 60%-ஐத் தாண்டுகிறது, மற்றும் அச்சிடுதல் மென்மையாகவும் பட்டுப்போலவும் இருக்கும்.
ஒழுங்கற்ற தூள்: கரடுமுரடான சர்க்கரை போல ஒட்டிக்கொண்டிருக்கிறது, அதன் பாகுத்தன்மை 40 மடங்கு அதிகம், மேலும் அதன் முனை அடைக்கப்பட்டு உயிர் இருக்குமா என்பதே சந்தேகமாக உள்ளது.
இதைவிடச் சிறப்பான விஷயம் என்னவென்றால், கோள வடிவப் பொடியால் அச்சிடப்பட்ட பாகங்களின் அடர்த்தி, உருக்கிச் சூடாக்கிய பிறகு 89%-ஐ எளிதில் தாண்டுகிறது, மேலும் அதன் மேற்பரப்புப் பூச்சு நேரடியாகத் தரநிலையைப் பூர்த்தி செய்கிறது. “இப்போது யார் இன்னும் ‘அசிங்கமான’ பொடியைப் பயன்படுத்துகிறார்கள்? பாய்வுத்தன்மையே போர்த் திறனாகும்!” என்று ஒரு தொழில்நுட்ப வல்லுநர் புன்னகைத்து முடித்தார்.
எதிர்காலம்: நட்சத்திரங்களும் கடல்களும் சிறிய மற்றும் அழகானவற்றுடன் இணைந்து வாழ்கின்றன.
அலுமினா தூளின் முப்பரிமாண அச்சிடல் புரட்சி இன்னும் முடிவடையவில்லை. டர்போஃபேன் பிளேடுகளைத் தயாரிக்க, கிட்டத்தட்ட சுருக்கமற்ற உள்ளகங்களைப் பயன்படுத்துவதில் இராணுவத் தொழில் முன்னணியில் உள்ளது; உயிர்மருத்துவத் துறை அதன் உயிரிணக்கத்தன்மையால் ஈர்க்கப்பட்டு, தனிப்பயனாக்கப்பட்ட எலும்புப் பொருத்திகளை அச்சிடத் தொடங்கியுள்ளது; மின்னணுவியல் தொழில் வெப்பச் சிதறல் தளங்களை இலக்காகக் கொண்டுள்ளது – ஏனெனில், அலுமினாவின் வெப்பக் கடத்துத்திறன் மற்றும் மின்சாரமற்ற கடத்துத்திறன் ஆகியவை ஈடு செய்ய முடியாதவை.